LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究（上）

王京池

（中央電視臺 技術(shù)制作中心，北京 100859）

引言

近幾年，LED照明技術(shù)得到了飛速發(fā)展，在城市景觀照明等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，LED染色燈、LED筒子燈等效果照明燈具在電視綜藝節(jié)目和廣場演出中使用也很普遍。雖然由于光源光效、顯色性等原因，用于人物照明的LED燈具目前尚處于起步階段，但整體來說，LED光效不斷提高，顯色指數(shù)也能達到85以上，LED照明燈具已經(jīng)具備用于電視照明的基本條件。

2009年12月，中央電視臺立項，聘請了國內(nèi)的15位專家學(xué)者，在北京星光影視設(shè)備科技股份有限公司的大力協(xié)助下，開展“LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究”工作。

2010年6月24日，中央電視臺組織專家組對“LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用研究”項目進行了驗收評審。專家組聽取了課題組的匯報并實地考察了有關(guān)實驗設(shè)施，審查了相關(guān)的文件，經(jīng)充分討論，一致認(rèn)為：

（1）該項目對LED照明燈具在電視演播室應(yīng)用中所涉及的主要問題進行了研究、測試和評估。研究表明，電視演播室采用LED照明燈具，節(jié)能效果明顯；顯色性能滿足電視色彩還原的需要，調(diào)光時色溫和顯色性基本保持不變，適合用于電視演播室照明；LED光輻射不會對人皮膚產(chǎn)生危害。該項目取得了很有價值的研究成果。

（2）該項目采用實驗性研究、調(diào)查性研究和理論分析研究相結(jié)合的形式，通過LED光源燈具與傳統(tǒng)鹵鎢燈具比較的方法，按照預(yù)定技術(shù)方案對LED照明燈具應(yīng)用中可能遇到的問題得出了重要的研究結(jié)論。研究方法合理、科學(xué)。

（3）該項目得出的結(jié)論能夠反映當(dāng)前國內(nèi)LED燈具在電視演播室應(yīng)用的實際情況，為LED燈具在電視領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣提供了重要的依據(jù)。

（4）該項目驗收材料齊全，達到了項目的預(yù)期目標(biāo)。

為了讓大家共享研究成果，特根據(jù)研究的主要內(nèi)容和總體研究報告改編成本文。

1 研究的目的和意義

影視舞臺照明（包括劇場、電視演播室、電影攝影棚、禮堂及其他文藝演出場所）耗電量很大，如90 min的舞臺演出耗電量為2 250度，相當(dāng)于一棟5層辦公樓一天的耗電總量，其中75%為照明耗電。全國共有4 000多家電視臺，平均每個電視臺有10個以上的演播室，演播室因燈光照明產(chǎn)生的耗電量（包括燈具耗電和空調(diào)耗電）占70%～80%；全國共有舞臺、劇場、禮堂及其他文藝活動演出場所上萬家，照明耗電十分巨大?？梢?，影視舞臺照明的節(jié)電具有非常重要的意義。

過去影視舞臺燈具所使用的光源主要為鹵鎢燈以及氣體放電燈（低氣壓放電燈－熒光燈和高強度氣體放電燈－金鹵燈、氙燈）等。這些光源雖然在發(fā)光性能上能滿足影視照明的需要，但存在諸如光效低、壽命短、耗電量大、工作不穩(wěn)定等問題，由熱光源燈具產(chǎn)生的紅外輻射會造成環(huán)境溫度過高，不得不用強力空調(diào)來降溫。因此，需要尋找新型光源來代替上述光源。

半導(dǎo)體燈具屬于固態(tài)照明，采用LED（發(fā)光二極管）作為新的照明光源，它具備諸多傳統(tǒng)照明光源不具備的優(yōu)點。LED最大的優(yōu)點具有節(jié)能環(huán)保、壽命長、光效高、光色純正、響應(yīng)速度快、耐震動等特點，而這些正是大部分傳統(tǒng)光源燈具的缺點。以之逐步取代部分傳統(tǒng)光源，是發(fā)展的必然趨勢。在世界范圍內(nèi)，LED照明技術(shù)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景的一種高效照明節(jié)能產(chǎn)品，被稱為“半導(dǎo)體綠色照明”。

LED燈具應(yīng)用于演播室照明正處于起步階段，作為新一代光源，用于演播室照明燈具，其顯色性、色溫特性、是否對主持人有傷害、是否滿足拍攝優(yōu)質(zhì)圖像的要求等問題，在國內(nèi)外也沒有相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)和結(jié)論可參考，需要在推廣應(yīng)用上做全面深入的研究探討，以保證LED燈具在演播室能夠安全有效地運行。

為向中央電視臺新址演播室全面推廣應(yīng)用LED照明燈具提供科學(xué)的依據(jù)，引導(dǎo)我國LED影視照明燈具的發(fā)展，中央電視臺開展了專項研究。項目對LED光源用于影視照明作了開創(chuàng)性研究，填補了國內(nèi)外在該領(lǐng)域的空白，對推動我國LED電視照明燈具的發(fā)展，推動LED燈具的普及和應(yīng)用，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 研究內(nèi)容與形式

研究對象是LED普通照明燈具，是指由白光LED作為光源，在電視節(jié)目制作過程中用于人物或景物照明的燈具，主要包括LED聚光燈、LED柔光燈，不包含用于效果照明的各種LED效果燈具，如各種LED染色燈、LED Par燈、LED電腦燈等。

根據(jù)當(dāng)時大家普遍關(guān)注的問題，課題組確定的具體研究內(nèi)容為：

（1）LED燈具的顯色性和電視圖像色彩還原。

（2）燈具的色溫特性和使用中的穩(wěn)定性、一致性。

（3）燈具的熱效應(yīng)對光輸出質(zhì)量的影響。

（4）燈具光輻射對人體皮膚的影響。

（5）燈具對演播室的電磁干擾。

（6）燈具頻閃對電視圖像的影響。

（7）聚光燈具光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計（消色差）。

（8）燈具光源的更換及維護維修。

（9）燈具的應(yīng)用對傳統(tǒng)演播室的影響問題。

另外，為了能向用戶提供更多的產(chǎn)品信息，課題組建議在完成這些問題的同時，盡可能地搜集更多的資料信息。對LED照明燈具產(chǎn)品的生產(chǎn)現(xiàn)狀和應(yīng)用情況進行調(diào)研，對LED照明燈具應(yīng)用前景進行分析展望，對幾款LED燈具進行常規(guī)參數(shù)的測量與分析，對燈具的使用性能進行測評，以達到為企業(yè)提供產(chǎn)品生產(chǎn)建議，為用戶產(chǎn)品選型提供科學(xué)依據(jù)的目的。

3 研究實驗條件

3.1 實驗燈具品種數(shù)量

研究過程中，實驗用燈具品種、數(shù)量見表1。

3.2 實驗設(shè)備

實驗所需要的測試設(shè)備名稱、數(shù)量見表2。

3.3 實驗場地

本次實驗在多個場地同時展開，具體場地見表3。

表1 實驗選用的燈具品種數(shù)量

表2 測試設(shè)備一覽表

表3 實驗場地一覽表

3.4 參加實驗人員

課題組全體人員15人，主觀測評專家10人，項目評審專家28人次，實驗人員、測試志愿人員和輔助人員若干。

4 實驗過程

4.1 實驗室實驗

4.1.1 燈具光電參數(shù)測試

燈具光參數(shù)包括光度參數(shù)和色度參數(shù)。測試是在四周墻壁、屋頂、地面及測試設(shè)備均為無光澤黑色的環(huán)境中進行。測試設(shè)備是杭州遠方光電信息有限公司生產(chǎn)的GO1900分布光度計和PMS-50（增強型）紫外－可見光－近紅外光譜分析系統(tǒng)，見圖1。

表4 實驗設(shè)備明細表

測試內(nèi)容：

電氣參數(shù)：輸入電壓、電流、功率、功率因數(shù)；

光度參數(shù)：峰值光強、有效效率、有效光通、燈具效率、總光通量、10%光斑角；

色度參數(shù)：色品坐標(biāo)、相關(guān)色溫、顯色指數(shù)等。

4.1.2 燈具常規(guī)參數(shù)測試

4.1.2.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備均經(jīng)過計量校準(zhǔn)，符合實驗的要求，使用設(shè)備型號見表4。

4.1.2.2 實驗方法步驟

（1）首先將編號為1、2、3、4、5、6的實驗燈具進行100 h老化實驗，環(huán)境溫度控制在21℃～25℃之間，使之達到熱平衡。

（2）選擇編號為0、1、2、3、4、5、6的燈具各2只，作為實驗樣品。

（3）將2只相同型號（如1號燈的1-1、1-2）的燈具置于實驗平臺，光斑投射到距離6.6 m的白墻上，見圖2左，利用調(diào)光臺0～100%調(diào)光，測量燈具光輸出各照度狀態(tài)下的色溫、色坐標(biāo)、照度、功率，測試點分別為10%、30%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。

（4）檢查聚光燈的遮扉能否有效控制光斑投射范圍，見圖2右。

表5 實驗設(shè)備明細表

（5）目測檢查被測燈具在各狀態(tài)下，同一型號燈具上述參數(shù)的一致性，通過投影檢查光影是否有重影現(xiàn)象。

（6）將不同品牌的同類燈具放置在同一實驗平臺上，通過目測的方式，進行一致性對比實驗，見圖3。

4.1.3 高溫實驗

4.1.3.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備均經(jīng)過計量校準(zhǔn)，符合實驗的要求，使用設(shè)備型號見表5。

4.1.3.2 實驗方法步驟

（1）編號為1、2、3、4、5、6、7的燈具，作為實驗燈具。

（2）分別將上述燈具1只（例如1-1）置于恒溫恒濕箱內(nèi)，點亮燈具通過高溫箱的玻璃窗口投射光斑到測試距離5.9 m的白墻面上，測試初始狀態(tài)下光斑的色溫、色坐標(biāo)、照度值，記錄燈具功率數(shù)值。

（3）按照5℃或10℃的溫度升幅逐漸升高箱體的溫度，分別在25℃、35℃、45℃使箱體達到熱平衡后，測量各溫度狀態(tài)下實驗樣品的色溫、色坐標(biāo)、照度、功率，通過溫度巡檢儀測高溫箱內(nèi)各溫度點的變化值。

（4）選擇7號燈具置于高溫箱內(nèi)進行熱效應(yīng)破壞實驗，按照5℃的步幅逐漸升高箱體的溫度，在每一溫度下，使其達到平衡。利用溫度巡檢儀的熱藕絲探頭分別連接到燈具外殼、模組基板及箱內(nèi)左右2個實際溫度測試點，監(jiān)測LED燈具各點溫度的實際變化，通過高溫箱加溫直至燈具光效急劇下降，甚至燒壞為止。最終燈具外殼溫度升高到120.1℃、基板部位153.3℃，箱內(nèi)環(huán)境溫度最高點115.2℃，由于實驗溫度已經(jīng)超過高溫箱規(guī)定的額定最高溫度， 此時，聚光燈仍在正常點燃，因此，此項實驗最終未出現(xiàn)燈具燒毀現(xiàn)象。

4.1.4 長期穩(wěn)定性實驗

長期穩(wěn)定性實驗測試有兩種：

常溫下長期不間斷點燃燈具197天（4 728 h），每隔一周測試一組數(shù)據(jù)，記錄照度、色溫、色坐標(biāo)的變化數(shù)值。

在高溫老化室（溫度45℃～50℃）長期不間斷點燃燈具點亮74天（1 776 h），每隔半個月測試一組數(shù)據(jù)，記錄照度、色溫的變化數(shù)值。

4.1.5 光輻射對人體皮膚的影響實驗

模擬主持人在實際工作中接受的照射劑量——照度2 800 lx，照射時間15 min，每天照射一次，連續(xù)照射30天。

選用受試者30名，均為女性，年齡25～48歲，平均年齡36.67歲，皮膚類型II-IV。選用上臂屈側(cè)作為照射部位，見圖4。對LED光源照射前后人體皮膚的L*a*b*值、M值和E值、角質(zhì)層含水量、TEWL含水量采用配對t檢驗進行處理。

4.1.6 電磁干擾實驗

實驗方法步驟按照下述兩個標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 17743-2007《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》測試燈具各高次諧波分量，找出調(diào)光過程中產(chǎn)生的最大騷擾點，測量該點的無線電騷擾值，見圖5。

按國家標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1-2003《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》的要求，將燈具在最小功率和最大功率之間分為5個相等的級段，測試各級段的諧波分量。

4.2 演播室測評

4.2.1 電視圖像采錄與圖像評價

4.2.1.1 測試燈具

測試需要的燈具類型、數(shù)量和場景編號見表6。

表6 場景編號和燈具一覽表

表7 攝錄設(shè)備一覽表

4.2.1.2 視頻測試設(shè)備

演播室測評需要的主要攝錄設(shè)備見表7。

4.2.1.3 燈位布置

請專業(yè)燈光師進行現(xiàn)場布光，不同品牌不同類型的燈具盡量按相同燈位圖布置錄制現(xiàn)場，見圖6。

4.2.1.4 攝錄及圖像評價內(nèi)容

場景布光完成后，測量用電量，記錄燈位參數(shù)，測量人物面光、逆光、側(cè)光、背景光的照度、色溫參數(shù)。攝像機在同個場景中分別拍攝人物、水果、花籃、色卡記錄圖像，現(xiàn)場專家對采錄圖像作主觀評價，見圖7。

4.2.2 燈具使用性能評價

在演播室現(xiàn)場布光（吊掛燈具、控制燈具光束效果）的同時，請現(xiàn)場的燈光專家就燈具的使用性能現(xiàn)場評價打分，見圖8。

數(shù)據(jù)整理出來后，課題組要與相應(yīng)的生產(chǎn)企業(yè)溝通，以便改進燈具技術(shù)和提高質(zhì)量水平，為用戶提供更好用的產(chǎn)品。

4.2.3 燈具頻閃實驗

使用表1中編號為10的特制燈具1臺，燈具PWM（脈寬調(diào)制）調(diào)光的脈沖頻率可調(diào)。使用表7中所列攝錄設(shè)備組成的視頻系統(tǒng)。

不使用攝像機電子快門，燈具PWM頻率從2 kHz向下調(diào)節(jié)，直到攝像機圖像出現(xiàn)閃爍時，得出臨界頻率值。記錄圖像及數(shù)據(jù)。

使用電子快門時，選擇6檔電子快門（60 Hz、75 Hz、84.98 Hz、100.1 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz），測試出電子快門速度與脈沖頻率的配合關(guān)系，燈具PWM頻率從245 Hz依次向上調(diào)節(jié)，記錄各測試點攝像機圖像狀況和實際效果。

4.3 主觀評價室評價

將演播室拍攝的內(nèi)容，按人物1、水果、花籃、色卡、人物2分類，編制不同場景下的畫面，打亂順序，請主觀評價專家對比傳統(tǒng)燈具錄制圖像，在主觀評價室對LED光源照明下拍攝的圖像色彩還原情況評價打分（見圖9）。主觀評價人員由中央電視臺的各專業(yè)專家組成，包括美術(shù)師2人、燈光師2人、視頻工程師2人、燈光工程師1人、導(dǎo)演1人、編輯1人、化妝師1人。

采用5分制標(biāo)準(zhǔn)來衡量圖像色彩還原性能，具體分值標(biāo)準(zhǔn)見表8。

表8 圖像色彩還原主觀評分標(biāo)準(zhǔn)